电力装备制造业智能工厂规划与实践

王军奎，王 凯，张叶同，2，韩 湘，彭金龙，孙灿良

（1.许继集团有限公司，河南 许昌 461000； 2.华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003）

1 引言

在当前新形势下，电力装备企业发展面临着双重压力。一方面，受国际政治与经济形势、新冠肺炎疫情等因素影响，我国制造业受到了前所未有的冲击，电力装备行业具有技术和劳动密集型等特性，正面临着国家供给侧结构性改革以及生产成本增高、价格竞争激烈、准入门槛降低等考验。另一方面，随着国家构建以新能源为主体的新型电力系统及“双碳”目标的提出，新一代智能电网技术高速发展，对电力装备制造行业提出了更高的要求。

全球范围内新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，智能制造作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，日益成为新工业革命的关键支撑和重要基石，是我国制造业实现“追、赶、超”的重要手段。电力装备行业智能制造转型升级，既能提升企业产品竞争力和效率效益，也支撑国家能源安全战略和“一带一路”建设，是实现我国“双碳”目标下能源转型的必由之路。

某电力装备制造企业以智能制造为发展战略，以打造国内电力装备智能制造示范和领先企业为远景目标，构建以“生产设备智能激活”“生产过程数字赋能”“精益生产管理创新”为核心的智能工厂顶层规划。加快智能产线、智能车间和智能工厂的规划和实践，以智能制造示范项目方式推进智能产线建设，着力开展信息化深度应用，逐步实现企业从生产型制造向服务型制造、从产品制造向品牌制造、从局部中高端制造向全面中高端制造、从国内制造向全球化制造等发展方式的转变。本文总结了该企业智能工厂规划与实践经验以及智能制造示范效益，为我国电力装备制造业探索智能制造提供借鉴与参考。

2 智能工厂规划

该企业以打造电力装备二次行业智能工厂标杆为目标愿景，到2025年实现产能翻番、收入翻番、利润翻番，智能制造能力成熟度达到三级以上，深挖价值增长点，基本实现数字化管理、个性化定制、智能化制造、服务化延伸，助力企业提质量、降成本、增效益、减库存，如图1所示。

图1 智能工厂规划蓝图

智能工厂规划主要依据“统筹规划，分步实施，协同推进，并行发展”的原则，采取“三步走”策略，即生产设备智能激活——“自动化建设”，生产过程数字赋能——“信息化建设”，精益生产管理创新——“生产体系重构”，这也是“以制造为根、以数据为魂，以体系为魄，以可持续发展为本”的智能制造转型升级理念，将智能制造优势转化为企业可持续核心竞争优势，促进企业高质量快速发展。

2.1 生产设备智能激活

现有核心产线覆盖了从元器件入厂测试、贴插装、板卡测试、装置测试、屏柜装配到舱体组装全制程。遵循“建好、用好、联好”的基本原则，按照“育珠→串链→结网”智能制造推进路线，重点开展智能单元建设，实现“机器代人”、物流自动化、关键工序组装自动化和测试自动化，充分激活核心产线效能。

（1）推进路线

电力装备制造企业推进智能制造的路径，可以形象地比喻为“育珠→串链→结网”，如图2所示。生产设备智能激活的主要任务就是培育智能单元，建成智能产线，为智能工厂建设打下坚实基础。

图2 从智能单元到实现智能制造的演进路线图

“育珠”即着力培育智能单元。从小微改造做起，即以较小投入成本，应用最新的先进技术成果和先进经验，对现有设备进行针对性改造，如给设备装上新部件、新装置、新附件，以改善现有设备的技术性能，使之达到或局部达到最为适宜的功能水平。智能单元就是利用自动化、信息化手段对生产设备进行改造升级，不仅降低生产制造成本，提升企业获利能力，而且可实现生产制造数据的采集，具备信息输入与输出的能力。

“串链”即逐步构建智能工厂。多个智能单元基于信息化系统的集成形成智能产线，多条智能产线基于信息化系统与生产制造业务间的集成形成智能车间，多个智能车间基于信息化系统与企业运营各业务环节的集成形成智能工厂。

“结网”即打造智能制造生态。基于智能工厂，深化应用新一代信息技术，实现企业全价值链的智能化升级转型。构建智能化网络生态，增强供应链产业链的弹性和韧性，保障企业可持续发展。

（2）智能单元

智能单元是实现智能制造的基本单元，是智能制造推进的有效抓手。由用于一种（或多种）原材料的转换、加工、分离或反应等制造环节，生产出中间产品（或最终产品）的一组能力相近的生产设备组成（加工设备和辅助设备）。

智能单元可以是单台（套）设备，也可以是一组能力相近的设备组成的单元线，也可以是一条完整流水线中的某个设备或多个能力相近的设备组成的功能模块。

智能单元应针对产品或工序，具备某种独立功能，如上料、加工、装配、测试等功能，具有模块化、自动化、信息化等特征，以实现产品的自动化生产和信息的自动采集交互，如图3所示。

图3 智能单元主要特征

2.2 生产过程数字赋能

结合现状统筹考虑数据治理、数据架构、数据开发与维护、数据安全、数据质量、数据资源等要素，建设能提供数据标准、数据模型、数据汇聚融合、数据分析等多种形式的统一数据中心，打通信息数据“孤岛”，支撑生产、安全等各专业数据分析类应用的构建。横向联通各业务系统，为各系统提供统一的数据基础支撑；纵向贯通生产制造执行信息系统（MES），为生产管控提供实时信息数据，为决策提供必要支撑。前端与供应链协同制造，优化生产交付及存货管理，在线进行供应商工艺管理、质量管理等，降低管理成本；后端为政府部门及客户提供必要的数据服务，提高客户满意度。最终打造以数据服务为中心的数据服务平台生态，为智能制造转型发展提供平台支撑。

物联系统业务架构应包含生产指挥管理、过程监造、资源调配、安全/质量控制、数字协同、远程运维、数据共享服务等模块，实现业务融合贯通、数据共享透明，支撑数字化、智能化转型，如图4所示。

图4 物联系统业务架构

2.3 精益生产管理创新模式

在初步实现“生产设备智能激活”和“生产过程数字赋能”基础上，全面梳理生产管理体系现状，逐项分析现存问题，明确优化目标及实施计划。围绕企业提质、降本、增效、减存等价值点，创新性构建一种基于订单拉动的生产过程标准化、自动化、可视化、均衡化、准时化、自愈化的精益生产管理新模式，逐步实现数字化管理、个性化定制、智能化制造、服务化延伸，如图5 所示。

图5 精益生产管理体系新模式

3 智能工厂实践

电力装备二次行业大多属于典型的离散型制造，该企业为实现智能化转型升级和可持续发展需求，以智能制造示范项目方式推进，着力开展自动化实践与创新。

3.1 自动化建设

针对装置、屏柜、预制舱三种核心产品建设智能化产线，实现了自动送料、自动装配、自动检测，逐步提高生产线智能化水平。

（1）装置测试智能产线

产线应用七轴机器人实现装置与测试设备的快速定位对接，通过扫码识别装置身份，自动调取装置测试程序，结果智能判定，快速完成装置自动测试。

测试针盘采用模块化设计，根据生产计划排产和装置配送的状况，在不同产品系列间自动快速切换、自动测试，测试记录自动生成并上传后台数据系统，如图6 所示。

图6 装置测试智能产线工作场景

（2）屏柜装配智能产线

产线采用自动扫码身份识别，从“人找设备”转变为“设备自动找人”。基于智能生产调度系统，使用夹抱式AGV运转屏柜，实现屏柜自动上线，实现“机器代人”，如图7所示。

图7 屏柜装配智能产线工作场景

产线每个工位配备电子看板，生产图样、作业指导书、工单等通过系统自动下发，生产过程文档自动记录。通过不断改善，将工艺知识库沉淀到自动化设备和系统中，实现关键工序工艺操作自动提醒。

（3）舱体组装智能产线

为了适应用户个性化、多样性需求，降低生产复杂性，解决生产瓶颈，将二次预制舱产品标准化为3种尺寸、7种布置方案。同时，协同供应商将内部装修、辅助电气设备预制于模块内部，从而降低预制舱加工难度。

产线由MES调度AGV转运舱体，采用七轴机器人、图像识别等技术，实现物料智能识别、预制舱自动定位、地板自动铺设和屏柜自动进舱，提高生产过程的智能化水平，如图8所示。

图8 舱体组装智能产线工作场景

3.2 信息化建设

推进信息化深度应用，先后建设企业资源管理ERP、客户关系管理CRM、产品生命周期管理PLM、协同办公OA、运营监控等信息系统。2020年，建设完成MES系统，作为智能产线与ERP等业务系统的贯通桥梁，以生产数据共享及制造过程透明为主线，以生产主计划管理、设计进度管理、采购计划管理、生产进度管理、发运管理、合同订单管理等业务为支撑，与生产各环节计划执行数据采集、信息高效传递相结合，实现生产全流程数字化管控。2021年实现移动端应用，大幅度提升管理效率。

4 示范效益

通过智能制造顶层规划和实践，优化企业资源配置，提高生产效率、产能和制造品质，将智能制造优势转化成为企业可持续发展核心竞争优势。

经济效益：装置测试时间从原来33 min/台减少至5 min/台，屏柜装配生产周期由4天压缩到2天，产能提升到25 000面/年，单台舱体装配时间由82 h减少到38 h，人工减少40%。整体来看，管理效率提升超10%，整体生产效率提升25%以上，产能提升5亿元以上，智慧变电站交付周期90天，处于行业领先水平，支撑业务快速增长。

技术效益：实现了装置测试自动检测、装配调试过程记录数字化，生产过程可视化；针对装置测试、屏柜进舱、地板铺设等关键工序自主开发设计多个工艺设备。关键技术取得突破，多项技术达到国内领先水平。

社会效益：通过自动化、智能化设备的改造，减少噪声、粉尘、有害气体排放等污染，构建了低碳、绿色、友好的生产环境，员工幸福指数大幅度提高。在中山同福变电站、青海共和风电场、南川工业园等重点示范工程提供高质量产品，快速满足用户交付需求，获得相关政府和客户一致好评。

5 结束语

我国电力装备行业发展的着力点不在于追求更高的增速，而在于正确处理好增长速度与结构、质量、效益、环境保护等重大关系，改善和提升产业整体素质，着力提高技术创新能力、国际竞争力和可持续发展 能力。

本文提出了一种以“生产设备智能激活”“生产过程数字赋能”“精益生产管理创新”为核心的智能工厂顶层规划，以智能制造示范项目方式推进智能产线建设，着力开展信息化深度应用，逐步实现智能化转型升级。通过某电力装备企业实践经验表明，本文提出的智能工厂规划具有可行性并取得了一定成效，为我国电力装备制造业探索智能制造提供了一定的参考。